ORC系统发动机停闭后压力管理技术方案

本发明专利技术涉及一种包括朗肯循环回路的朗肯循环系统，在所述朗肯循环回路中工作流体循环通过冷凝区、加热区和机械能提取区。该系统还包括液压蓄压器，该液压蓄压器用于在朗肯循环回路内的工作流体的压力高于第一压力水平时储存来自朗肯循环回路的加压的工作流体，并用于在朗肯循环回路内的工作流体低于第二压力水平时将加压的工作流体释放到朗肯循环回路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请在2015年3月13日作为PCT国际专利申请提交并要求在2014年3月14日提交的美国申请序号No.61/953,369的优先权，该美国申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
本专利技术涉及用于回收废热的系统。更具体地，本专利技术涉及有机朗肯循环系统。
技术介绍
朗肯循环或有机朗肯循环(ORC)是将热能变换为机械功的动力产生循环。朗肯循环通常用于热力发动机中，并且通过使工作物质从较高温度状态到较低温度状态来完成上述转化。经典的朗肯循环是基于蒸汽发动机的操作的基本热力学过程。朗肯循环通常采用单独的子系统，如冷凝器、流体泵、诸如沸腾器(锅炉，boiler)的热交换器、以及膨胀机式涡轮机。所述泵常常用于加压从冷凝器接收的作为液体而不是气体的工作流体。来自泵的加压流体在热交换器处被加热并用于驱动膨胀机式涡轮机以便将热能变换成机械功。在离开膨胀机式涡轮机后，工作流体返回冷凝器，在此任何残留的蒸气冷凝。此后，冷凝的工作流体返回泵并重复该循环。经典的朗肯循环的一个变型是有机朗肯循环(ORC)，其命名是由于使用具有比水-汽相变更低的温度下发生的液-汽相变或沸点的有机高分子量流体。这样，作为经典的朗肯循环中的水和蒸汽的替代，在ORC中的工作流体可以是溶剂，例如正戊烷(n-pentane)或甲苯。ORC工作流体允许从较低温度源如生物质燃烧、工业废热、地热、太阳池等的朗肯循环热回收。低温热然后可被转化为有用功，该有用功继而可被转化为电力。希望进一步研发这些朗肯循环系统。
技术实现思路
当密闭的朗肯循环系统达到低温时(例如，在系统停闭和冷浸之后)，工作流体可冷凝，由此非期望地对系统抽真空。该真空可形成泄漏的可能性并且会导致过早的密封和装配失效。本专利技术的各个方面涉及用于即使在低温条件下也维持朗肯循环系统中的正压的方法和结构。在一个示例中，使用工作流体蓄压器来防止系统在低温下经历真空状态。在一个示例中，朗肯循环系统是从由原动机如内燃发动机(例如，火花点火式汽油发动机、压缩点火式柴油发动机、氢内燃发动机等)或燃料电池产生的废热产生机械功的有机朗肯循环系统。在某些示例中，原动机用于驱动车辆，并且朗肯循环系统将废热转换为能用于提高原动机的运转效率或为车辆的其他活动构件提供动力的机械能。在一个示例中，公开了一种用于管理与处于停闭状态的动力装置相关的朗肯循环系统中的工作流体压力状态的方法。该方法的一个步骤可包括提供与朗肯循环系统选择性地流体连通的蓄压器，而另一个步骤可包括提供用于将蓄压器与朗肯循环系统工作流体隔离的控制阀。另外的步骤可包括通过将控制阀置于打开状态下而在动力装置处于运转状态时将加压的工作流体储存在蓄压器中，和通过关闭控制阀来将蓄压器与朗肯循环系统隔离。该方法的一个步骤可包括在原动机处于停闭状态时并且当达到最低临界条件时打开控制阀，以通过打开控制阀来使蓄压器与朗肯循环系统流体连通，从而最大限度地减少或防止朗肯循环回路中形成真空压力状态。最低临界条件的示例是工作流体温度和环境室外气温。将在下面的说明中阐述各种另外的方面。这些方面会涉及单独的特征和特征的组合。应理解，前文的大体描述和下文的详细描述只是示例性和说明性的，且并非对文中公开的实施例所基于的宽泛概念加以限制。附图说明图1是根据本专利技术的原理的系统的示意性描绘，所述系统采用用于产生有用功的朗肯循环并具有作为创造性方面的示例的特征；图2是示出图1所示的系统采用的朗肯循环的图表；图3是适合用于从图1的系统提取机械功的罗茨式膨胀机的剖视图；图4是图3的罗茨式膨胀机的示意性描绘；图5是示出图3的罗茨式膨胀机的正时齿轮的剖视图；以及图6示意性地示出包括根据本专利技术的原理的朗肯循环系统的车辆。具体实施方式本专利技术总体上涉及利用来自热源的热来产生有用功的朗肯循环系统100(例如，有机朗肯循环系统)。在一个示例中，热源是来自诸如原动机(例如，燃料电池、内燃发动机如柴油发动机或火花点火式发动机等)的设备的废热。在一个示例中，使用诸如旋转膨胀机的机械装置来从朗肯循环系统提取机械能。在一个示例中，朗肯循环系统包括封闭的朗肯循环回路，其是密闭的以防止工作流体离开该回路并防止外部污染物污染工作流体或以其他方式与工作流体混合。在某些示例中，当朗肯循环系统停闭时，降低回路内的温度可导致工作流体冷凝并对系统抽真空。朗肯循环操作可与原动机的操作相关，使得原动机的停闭引起ORC系统100的相应停闭。在原动机为内燃发动机的情况下，ORC系统100的工作流体温度在运转期间会达到接近300℃，并在发动机停闭时会下降到发动机周围的环境气温。因此，在寒冷气候下当发动机停闭时工作流体温度会达到-40℃及以下。运转状态与停闭状态之间的大温差导致的真空可对系统密封件施加很大的力并会形成泄漏、污染和过早的密封件失效的可能性。为了管理和消除在系统停闭期间形成的真空，朗肯循环系统可包括构造成在特定状态期间(例如，在停闭期间、在预定压力下、在预定温度下和/或其组合等)释放存量工作流体/压力以消除系统内产生负压的可能性的加压蓄压器。用于供ORC系统100使用的适当类型的蓄压器有隔膜式蓄压器、活塞式蓄压器、囊袋式蓄压器和不具有内部屏障的罐式蓄压器。在某些示例中，控制阀可用于选择性地将蓄压器与朗肯循环回路分开/隔离。当朗肯循环系统正常运转时，控制阀可打开以允许蓄压器被加压。在一个示例中，蓄压器可位于用来使工作流体移动通过回路的液压泵的高压侧。一旦蓄压器已充分加压(由传感器164或与蓄压器120相关的另一温度传感器测定)，控制阀就可关闭以阻挡蓄压器与朗肯循环回路之间的流体连通。在温度下降且主回路内的压力下降的特定运转状态期间(例如，在系统停闭期间)，控制阀可被打开以允许来自蓄压器的压力/工作流体用于维持回路内的正压。在某些示例中，该系统可包括用于测量回路内的各种位置处的状态的各种温度传感器(例如热电偶)和压力传感器，以及与传感器、控制阀、泵或系统内的其他构件接口的控制器。图1示出了根据本专利技术的原理的有机朗肯循环系统100。有机朗肯循环系统100构造成将来自热源如发动机116的热能转换为机械能。有机朗肯循环系统100构造成通过闭环有机朗肯循环重复地循环工作流体(例如，如乙醇、正戊烷、甲苯的溶剂或其他溶剂)。如图1所示，有机朗肯循环系统100包括具有冷凝区104、加热区106和机械能提取区108的朗肯循环回路102。液压泵110用于使工作流体移动通过朗肯循环回路102。泵110包括与冷凝区104流体连通的低压侧112和与加热区106流体连通的高压侧114。机械能提取区108具有与加热区106流体连通的入口侧117和与冷凝区104流体连通的出口侧118。有机朗肯循环系统100还包括用于维持朗肯循环回路102内的正压的工作流体蓄压器120。流动管路122设置用于使工作流体蓄压器120与泵110的高压侧114流体连通。控制阀124可设置用于选择性地开闭流动管路122。控制阀124可与包括蓄压器120的组件一体化或可分开设置并经由管道(例如管路122)与蓄压器124连接。在有机朗肯循环系统100的正常运转状态期间，控制阀124可被打开，由此允许来自泵110的高压侧114的加压的工作流体经流动管路122流入工作流体蓄压器120中以使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，包括：动力装置；朗肯循环回路，在所述朗肯循环回路中工作流体循环通过冷凝区、加热区和机械能量提取区，所述朗肯循环回路构造成捕获由所述原动机产生的废热；液压蓄压器，所述液压蓄压器用于在所述朗肯循环回路内的工作流体的压力高于第一预定条件时储存来自所述朗肯循环回路的加压的工作流体，并用于在所述动力装置停闭并且所述朗肯循环回路内的工作流体低于第二预定条件时将加压的工作流体释放到所述朗肯循环回路以最大限度地减小或防止所述朗肯循环回路中形成真空压力状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.14 US 61/953,3691.一种用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，包括：动力装置；朗肯循环回路，在所述朗肯循环回路中工作流体循环通过冷凝区、加热区和机械能量提取区，所述朗肯循环回路构造成捕获由所述原动机产生的废热；液压蓄压器，所述液压蓄压器用于在所述朗肯循环回路内的工作流体的压力高于第一预定条件时储存来自所述朗肯循环回路的加压的工作流体，并用于在所述动力装置停闭并且所述朗肯循环回路内的工作流体低于第二预定条件时将加压的工作流体释放到所述朗肯循环回路以最大限度地减小或防止所述朗肯循环回路中形成真空压力状态。2.根据权利要求1所述的用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，其中，所述第一预定条件是第一工作流体压力，且所述第二预定条件是小于第一工作流体压力的第二工作流体压力。3.根据权利要求1所述的用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，还包括用于使工作流体移动通过所述朗肯循环回路的液压泵，所述液压泵具有与所述冷凝区流体连通的低压侧和与所述加热区流体连通的高压侧。4.根据权利要求3所述的用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，其中，所述朗肯循环回路是有机朗肯循环回路。5.根据权利要求3所述的朗肯循环系统，还包括：在所述液压泵的高压侧与所述加热区之间的位置处将所述液压蓄压器与所述朗肯循环回路流体连接的流动管路。6.根据权利要求5所述的用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，还包括沿所述流动管路定位的流量控制阀，用于选择性地开闭所述液压蓄压器与所述朗肯循环回路之间的流体连通。7.根据权利要求6所述的用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，其中，所述液压蓄压器使用来自所述液压泵的高压侧的加压的工作流体增压。8.根据权利要求1所述的用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，其中，工作流体在所述加热区由来自原动机的废热加热。9.根据权利要求8所述的用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，其中，所述原动机选自包含内燃发动机和燃料电池的群组。10.根据权利要求8所述的用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，其中，所述原动机是柴油发动机并且其中从所述柴油发动机的排气再循环管路再捕获废热。11.根据权利要求1所述的用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，其中，所述机械提取区包括固定排量膨胀机。12.一种用于朗肯循环系统的发动机停闭后管理系统，包括：有机工作流体；用于冷凝所述有机工作流体的冷凝器；用于加热所述有机工作流体的热交换器；用于从所述有机工作流体提取能量的固定排量机械膨胀装置；所述机械膨胀装置包括各自都具有安装在轴上的多个叶片的第一和第二交错的转子；所述机械膨胀装置包括互相啮合的正时齿轮，所述正时齿轮协调所述转子的旋转并防止所述第一和第二交错的转子的叶片互相接触；所述机械膨胀装置包括壳体，所述壳体具有入口、出口和提供所述入口与所述出口之间的流体连通的内部区域；所述内部区域包括所述第一和第二转子分别在其中定位的第一和第二转子内孔，所述第一和第二转子在所述叶片之间限定出将工作流体绕所述内孔周向地从所述入口转移到所述出口的流体转移容积，并且所述轴中的至少一个轴限定出输出轴；泵，所述泵位于所述冷凝器与所述热交换器之间以将从所述冷凝器接收的...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·K·小怀特，M·J·福尔蒂尼，
申请(专利权)人：伊顿公司，
类型：发明
国别省市：美国;US